基于闭环控制的带翼导弹虚拟飞行数值模拟

通过耦合求解非定常Navier-Stokes方程、刚体六自由度（6DOF）运动方程及舵偏控制律,发展了一套虚拟飞行数值模拟平台,对基本带翼导弹外形进行了虚拟飞行数值模拟研究。流场求解采用基于结构网格的有限体积法,时间推进采用双时间步法,使用刚性重叠动网格技术模拟舵与弹身的相对运动,采用四阶Runger-Kutta方法求解运动方程组,舵偏控制律采用基于比例-积分-微分（PID）的反馈控制。模拟结果表明：发展的虚拟飞行数值模拟平台能够处理包含复杂运动边界的非定常运动问题,可以为非定常气动力建模提供数据、预示飞行器稳定性及检验飞行控制律,该模拟平台具备一定的工程应用价值。     

带反馈控制的基本带翼外形的耦合气动/运动数值模拟研究

介绍了一种先进的、时间精度的多学科数值模拟平台的开发和应用,该平台可用于预测飞行器机动过程中的非定常气动特性和飞行力学特性.通过耦合求解非定常Navier-Stokes方程、刚体动力学方程及控制律,对基本带翼外形进行了虚拟飞行数值模拟研究.求解器采用基于结构网格的有限体积法,时间方法采用双时间步方法.使用反馈控制器获得舵偏控制指令,重叠网格方法用来模拟物体间的相对运动.模拟结果显示控制器的增益必须正确选择才能获得正确的响应.仿真结果表明本文发展的虚拟飞行数值模拟方法能够预测包含动边界的复杂非定常流动,具有较强的工程适用性.     

基于变步长CFD/RBD方法的旋转弹轨迹仿真

采用变步长方法实现非定常Navier-Stokes方程和刚体六自由度运动方程的耦合求解,并对美国ARL旋转弹试验模型的飞行轨迹进行了仿真。旋转弹自由飞行过程中受到空气阻力作用,转速下降,气动力变化趋缓。因此轨迹仿真时先选取较小的时间步长,随着转速的下降逐渐增大步长,这样可以减少计算时间。刚体六自由度运动方程的数值求解采用变步长Adams预估校正法。将定步长和变步长两种方法应用于旋转弹实验模型轨迹仿真,并将计算得到的旋转弹空间位置、姿态角与试验结果进行了对比,结果显示:方法能较精确地仿真旋转弹飞行轨迹。在相同初始步长条件下,变步长方法较定步长方法计算时间减半;在相同计算时间条件下,变步长方法较定步长方法精度更高。     

基于CFD/RBD方法的旋转弹轨迹仿真

旋转弹在飞行过程中,由于表面气动载荷分布不对称,可能会出现耦合共振、灾难偏航等现象,使导弹飞行失常偏离目标。针对此类问题,采用非定常N-S方程和刚体动力学方程耦合求解的方法,仿真旋转弹飞行轨迹。非定常气动力计算使用非结构混合网格N-S方程求解程序HUNS3D,刚体六自由度运动方程采用改进的四阶Adams预估校正法求解。将这种耦合求解方法应用于美国ARL旋转弹试验模型的轨迹仿真,并将计算得到的旋转弹姿态角、空间位置和气动力与相关文献进行对比分析,结果表明:本文方法能较精确地仿真旋转弹的飞行轨迹。     

基于多重网格方法的跨声速颤振数值模拟研究

使用多重网格的方法对二维翼型和三维机翼的跨声速颤振进行了数值求解.流场控制方程为N-S方程,湍流模型采用SA模型网格.计算网格采用结构网格,空间离散采用中心格式,使用双时间法进行时间推进.流场与结构之间的数据通过径向基函数(RBF)插值方法进行交换.通过耦合求解流场控制方程和结构运动方程得到Isogai(case A)机翼模型和Agard445.6机翼的跨声速颤振边界.通过与使用单重网格时得到的结果相比较得出,多重网格方法能够节省计算时间,提高颤振分析计算效率.     

有相对运动多体动力学系统流动计算方法若干问题讨论

对应用非结构动网格技术数值模拟有相对运动多体动力学系统的流动现象时发现的若干问题进行了讨论.应用动网格技术求解均匀流场,验证了几何守恒律方程离散形式对流场计算精度的重要性,还发现格式时间精度越高、网格运动速度越接近声速,几何守恒律的作用越明显;采用类似于可控轨迹实验的准定常计算方法和非结构动网格技术,分别对超声速气流中物体运动的动力学过程进行了数值模拟,通过流场和运动特性比较和理论分析,指出准定常计算方法本质上无法反映非定常流动特征,即使时间步长趋向零也不会趋向于真解;还讨论了数值模拟非定常流动的双时间法,分析时间推进步长对解的影响,随着时间步长减小解的误差降低,但是这一方法与动网格技术结合解决多体分离问题有难度.     

三级涡流器环形燃烧室化学反应流场的数值研究

在三维曲线坐标系下采用多区域耦合法对包括三级涡流器在内的环形燃烧室三维两相反应整体流场进行了数值模拟。计算中采用区域法和偏微分方程法生成三维贴体网格，采用标准k双方程紊流模型，EBU-Ar-rhenius紊流燃烧模型和六通量热辐射模型。在非交错网格体系下，气相用SIMPLE法求解，液相采用颗粒群轨道模型，并用PSIC算法对其进行数值求解。计算结果表明，程序编制可靠，建立的三维网格生成和流场计算程序可为燃烧室优化设计和研制提供有用的数据。     

窄条翼导弹模型摇滚运动动力学特性研究

利用NS方程和飞行力学方程耦合的数值模拟,研究分析了窄条翼导弹模型摇滚运动的动力学特性和产生机理。控制方程为URANS和刚体单自由度转动方程,计算取Roe格式、SA湍流模型、双时间步法,气动/运动耦合采用双时间步三阶Adams预估校正法。计算Ma=0.6,α=35°,模型进入极限环振荡,振幅10.14°,周期20Hz,与风洞试验结果吻合较好。受力分析表明力矩迟滞曲线为双8环,中间为不稳定环,两侧为稳定环;模型的动不稳定性是由迎风尾舵引起,背风尾舵不能提供足够的动稳定性,导致模型丧失滚转阻尼,最终进入等幅等周期的极限环振荡;计算证实,该极限环是稳定的,模型在任意初始状态或微扰动作用下都将进入该极限环振荡。计算结果还表明,在非定常效应较强时,转动惯量对摇滚振幅影响不大,对频率影响明显。     

用运动嵌套网格方法数值模拟旋翼前飞非定常流场

通过求解Ｅｕｌｅｒ方程数值模拟了直升机旋翼前飞非定常流场。为了模拟包括旋转、周期性变距和周期性挥舞的非定常运动,本文采用了一种能够快速完成重叠网格间流场信息交换的运动嵌套网格方法。空间采用中心平均的有限体积法进行离散,时间方向采用双时间法隐式推进求解。为了验证方法的正确性,数值模拟了悬停流场,数值结果和实验值吻合很好。尽管前飞状态的计算没有实验验证,但计算结果与其它文献计算结果吻合很好。     

基于运动嵌套网格的前飞旋翼绕流N-S方程数值计算

 通过求解 Navier-Stokes方程数值模拟了直升机旋翼前飞非定常流场。为了模拟包括旋转、周期性变距和周期性挥舞的非定常运动,采用了一种能够快速完成重叠网格间流场信息交换的运动嵌套网格方法。空间上采用中心平均的有限体积法进行离散,时间方向应用含隐式子迭代的双时间法推进求解。为了验证程序的正确性,数值计算了一有升力悬停流场,旋翼桨叶表面压力分布的计算值与实验值吻合很好。     

倾转涵道倾转过渡阶段的非定常气动力

为研究倾转涵道动力装置在倾转过渡阶段的非定常气动力,使用基于滑移网格技术的非定常计算方法,利用基于内场信息和叶素理论的压力盘模型模拟风扇螺旋桨,通过求解Navier-Stokes(N-S)方程,对涵道风扇俯仰拉起过程进行数值模拟.结果表明:在倾转过程中涵道风扇非定常气动力的迟滞特性明显,俯仰角速度延迟了流场分离,增加了涵道风扇的升力和阻力;低速飞行时,涵道风扇在整个倾转过渡阶段气动性能优良;在高速大迎角飞行时,涵道风扇气动性能恶化,俯仰力矩曲线紊乱,不利于进行倾转过渡飞行.      

弹性飞行器动态耦合和控制综合研究

研究弹性飞行器的动态耦合问题，首先导出了非定常气动力作用下的弹性飞行器的纵向运动方程。就简化的非定常气动力数学模型提出了分析气动弹性飞行器稳定性的影响方法，而后对弹性飞行器的动态耦合特性提出了定性的分析方法。并从有效抑制飞行器的弹性振动角度，研究了主动反馈控制、操纵面及陀螺位置的合适选择的协同设计问题。     

倾转旋翼典型飞行状态气动特性的CFD分析

针对倾转旋翼特有的悬停、巡航、过渡3种飞行模式,基于CFD方法分别对倾转旋翼的上述3种典型飞行状态进行了数值模拟.首先,基于运动嵌套网格思想建立了适合倾转旋翼运动模拟的多层运动嵌套网格系统.然后,基于RANS(Reynolds averaged Navier-Stokes)方程建立了适用于非定常流场分析的CFD模拟方法.为了提高整个流场的计算效率,时间推进采用高效的隐式LU-SGS(lower upper symmetric Gauss Seidel)方法,并运用SPMD(single program multiple data)并行计算模式.最后,采用所建立的网格生成方法和流场求解器,进行了不同飞行状态下的倾转旋翼气动特性数值分析,验证了建立CFD方法的有效性并得出了多种飞行状态下的气动特性.结果表明:悬停状态下倾转旋翼相对于直升机旋翼有更加明显的下洗流影响区域.巡航状态两旋翼中心间距为2.5R时,倾转旋翼之间存在明显的气动干扰.过渡状态下,倾转旋翼提供的拉力在倾转角为45°前下降较快,且在倾转角较小时,倾转旋翼桨叶表面拉力分布仍能表现出直升机旋翼的特性.      

基于Navier-Stokes方程的旋翼前飞状态气动特性数值模拟研究

建立了一个适用于旋翼前飞状态非定常流场和气动载荷计算的数值方法。在该方法中,控制方程为惯性坐标系下的三维非定常Navier-Stokes方程,空间方向上将三阶逆风格式(MUSCL)与通量差分分裂方法相结合。为较好地模拟流动分离,采用了一方程的Spalart-Allmaras湍流模型,时间方向则采用双时间法推进求解。为计入桨叶的旋转、周期性挥舞和变距运动,采用了运动嵌套网格方法。此外,为了更真实地反映旋翼桨叶的实际运动,发展了一个旋翼配平分析模型及求解方法。应用所建立的方法,首先计算了具有先进气动外形的四片桨叶的UH-60A直升机旋翼悬停状态的流场及气动性能,验证了该方法对悬停状态旋翼气动性能数值模拟的有效性。在此基础上,着重对Caradonna模型旋翼无升力前飞状态和AH-1G直升机旋翼桨-涡干扰前飞状态的气动特性(表面压强分布、扭矩、气动载荷)进行了计算,数值结果和试验值吻合良好,表明本文建立的CFD方法对旋翼前飞状态流场的模拟和气动载荷的计算是有效的。     

2.4 m跨声速风洞虚拟飞行试验技术研究

风洞虚拟飞行试验(WTBVFT)技术是在风洞环境中对飞行器机动运动最逼真模拟的物理过程,它不仅可以更加有效模拟飞行器的机动运动过程、获取气动/运动耦合特性和揭示气动/运动耦合机理,而且能够实现气动/飞行力学集成的相容性研究。鉴于此,简要介绍了2.4 m跨声速WTBVFT技术,包括:相似准则和模拟方法、试验模型支撑技术、气动/运动参数测试技术和操纵控制技术等,并开展了典型导弹模型开环控制、姿态角闭环控制、加速度闭环控制、俯仰/滚转耦合与解耦控制以及靶试弹道验证等WTBVFT。研究结果表明:WTBVFT系统运动灵活,气动参数和运动参数测量结果准确可靠,能够有效模拟导弹实际飞行过程,具备闭环控制与耦合运动解耦控制的试验模拟能力,初步形成了气动/飞行力学一体化试验研究能力。同时,该研究也为开展控制方法优化与验证、数据修正与应用以及发展复杂构型的WTBVFT奠定了技术基础。     

飞行器刚体运动与气动弹性相互作用问题研究

通过联立求解空气动力学基本方程、飞行动力学运动方程和弹性结构振动方程,在时间域内模拟和分析了大展弦比飞机纵向动力学稳定性问题。结合动网格技术,气动力计算采用基于欧拉方程的计算流体力学方法,结构变形和飞行姿态位置变化统一为模态表示方法,通过松耦合将飞行器姿态稳定性和结构变形稳定性施行了模拟。以某大展弦比机翼飞机为算例,研究了其刚体运动和机翼的弹性振动的相互影响。结果表明：对于具有大展弦比机翼的飞机,其机翼的低阶弹性模态易与飞机飞行中本身的刚体模态发生耦合,从而导致飞机机翼的气动弹性发散以及飞机本身刚体运动稳定性的改变。对于这类飞机,在其气动弹性和飞行稳定性的分析和设计中必须充分考虑到两种运动的相互影响。     

基于CFD方法的直升机旋翼/尾桨非定常气动干扰计算

采用CFD方法针对直升机旋翼/尾桨气动干扰问题进行了数值计算研究.建立了一个适用于旋翼/尾桨干扰气动力计算的方法.在该方法中,控制方程采用三维非定常雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程,网格系统使用嵌套网格技术以计及旋翼和尾桨的相对运动.基于所建立的方法,分别计算研究了悬停状态、低速前飞状态以及巡航平飞状态时干扰状态的旋翼和尾桨气动力,并深入分析了尾桨旋转方向对干扰特性的影响.计算结果表明:旋翼对尾桨的气动干扰在各计算状态都存在,且干扰影响不总是负面的,这取决于飞行状态;而尾桨对旋翼的干扰作用则在悬停状态时较为明显,但在前飞状态时可忽略不计;尾桨旋转方向对尾桨气动力的影响较大,合理地选择尾桨的旋转方向可以改善其气动特性.      

Robust Navier-Stokes method for predicting unsteady flowfield and aerodynamic characteristics of helicopter rotor

A robust unsteady rotor flowfield solver CLORNS code is established to predict the complex unsteady aerodynamic characteristics of rotor flowfield. In order to handle the difficult problem about grid generation around rotor with complex aerodynamic shape in this CFD code,a parameterized grid generated method is established, and the moving-embedded grids are constructed by several proposed universal methods. In this work, the unsteady Reynolds-Averaged Navier-Stokes(RANS) equations with Spalart-Allmaras are selected as the governing equations to predict the unsteady flowfield of helicopter rotor. The discretization of convective fluxes is accomplished by employing the second-order central difference scheme, third-order MUSCL-Roe scheme, and fifth-order WENO-Roe scheme. Aimed at simulating the unsteady aerodynamic characteristics of helicopter rotor, the dual-time scheme with implicit LU-SGS scheme is employed to accomplish the temporal discretization. In order to improve the computational efficiency of holecells and donor elements searching of the moving-embedded grid technology, the ‘‘disturbance diffraction method" and ‘‘minimum distance scheme of donor elements method" are established in this work. To improve the computational efficiency, Message Passing Interface(MPI) parallel method based on subdivision of grid, local preconditioning method and Full Approximation Storage(FAS) multi-grid method are combined in this code. By comparison of the numerical results simulated by CLORNS code with test data, it is illustrated that the present code could simulate the aerodynamic loads and aerodynamic noise characteristics of helicopter rotor accurately.